Переход от реактивного к проактивному тепловому управлению

Инвертер Helix на карбиде кремния. (Изображение: Helix)

Физика тепловыделения

В электрической цепи текущие электроны сталкиваются с атомами в проводящем материале и заставляют их вибрировать. Тепловая энергия — это суммарная кинетическая и потенциальная энергия частиц в области пространства, поэтому этот перенос энергии от электронов к частицам в виде кинетической энергии проявляется как тепло.

Чем больше сопротивление, тем чаще сталкивания, а это значит большее тепловыделение. Не только большее сопротивление генерирует больше тепла, но и для металлов это увеличение тепла генерирует большее сопротивление.

Задача теплового управления — найти способы отвода этого тепла и предотвратить этот цикл обратной связи от значительного снижения электрической эффективности и производительности системы. Это также ключевой момент для долговечности постоянных магнитов, поскольку частицы, составляющие магнитный материал, теряют свое магнитное выравнивание, если набирают слишком много кинетической энергии — то есть они демагнитизируются.

Все это делает тепловое управление критически важным для двигателя электромобиля. Но вместе с базовой проблемой сопротивления и нагрева двигатели электромобилей также должны справляться с другими источниками тепла, такими как вихревые токи в статорном железе двигателя, вязкие потери в подшипниках и высокочастотные потери, возникающие от быстродействующих инверторов.

Интеллект в реальном времени

Помимо цикла обратной связи температуры и сопротивления (сопротивление меди увеличивается на 40 процентов с каждыми 100 градусами температуры) есть также тот факт, что электрическая изоляция вокруг обмоток статора быстро деградирует, если становится слишком горячей. Эмпирическое правило: на каждые 10 градусов повышения температуры сопротивление изоляции уменьшается вдвое, и при определенной температуре изоляция полностью разрушается.

Это делает тепловое управление двигателем в электромобилях очень сложной задачей, которую нужно решать рано. Единая горячая точка, оставленная необнаруженной, может вызвать невероятно быструю деградацию двигателя электромобиля с постоянными результатами.

Это означает, что тепловое управление электромобилей — это интервенция, требующая интеллекта в реальном времени о состоянии двигателя, даже там, где применяется активное жидкостное охлаждение, как это обычно бывает. Вместе с улучшением фактической производительности двигателя, и еще более значительно — батареи, этот интеллект в реальном времени может позволить инновации во всем автомобильном тепловом управлении, отоплении и охлаждении — олицетворенные в технологиях вроде Tesla Octovalve, которая интегрирует множественные системы охлаждения и нагрева для централизации и рационализации управления теплом всего автомобиля.

График распределения давления охлаждающей жидкости в каналах. (Изображение: Helix)

Прямые и косвенные методы

Существует два способа получения этой температурной информации. Первый — прямой метод, установкой датчиков непосредственно in-situ для обеспечения измерения температуры в реальном времени, то есть использование термистора или термопары в прямом контакте, или измерения ротора через инфракрасные датчики. Это самый интуитивный способ, но он сопряжен с серьезными сложностями: увеличение сложности, точек отказа и стоимости качества самих датчиков.

Двигатели Helix с масштабируемой базовой технологией. (Изображение: Helix)

Установка и проводка множества датчиков внутри двигателя представляет сложность в монтаже, упаковке и обслуживании, требующую значительных дополнительных инженерных усилий и, возможно, компромиссов в эффективности и производительности для размещения. И отказ всего одного датчика может привести к ложным показаниям, сбивающим стратегии теплового управления, что ведет к потерям производительности, эффективности и недовольству клиентов.

Это подводит к косвенному методу: использованию связанного электромагнитного и теплового моделирования. Разработав сложную модель поведения двигателя в различных электрических и тепловых условиях, мы можем связать её с датчиками, уже развернутыми в и вокруг двигателя. Например, мы можем использовать информацию от датчиков тока и положения, которые и так необходимы и должны соответствовать жестким стандартам функциональной безопасности, в сочетании с единичным измерением температуры охлаждающей жидкости. Из этих данных мы можем вывести из моделей в реальном времени, как выглядит распределение тепла по системе в любой момент времени.

Электротермическое моделирование

Сложность зависимости от электротермического моделирования вместо датчиков в том, что это косвенный метод. Это означает, что теперь вы зависите от применимости и точности вашей модели, что в свою очередь требует достаточного тестирования для разработки и уточнения, вместе с достаточной вычислительной мощностью для запуска модели и вывода необходимых температурных выводов.

График распределения температуры статора. (Изображение: Helix)

В результате это подход, который особенно сильно опирается на сложность инженерных команд за двигателем и автомобилем. Плюс, как и при любом средстве измерения, это требует понимания его точности и соответствующей установки пределов.

Но преимущества этого подхода, если сделано правильно, значительны. Нет компромиссов, необходимых для размещения датчиков и их проводки внутри и вокруг двигателя, что означает, что данные теплового управления не должны идти на компромисс с эффективностью или производительностью.

Этот подход также уменьшает точки отказа в двигателе и электромобиле. Критически важно, что если модель достаточно сложна, она может также обладать значительной предсказательной способностью и быть хорошо позиционированной для инструктирования системы теплового управления полностью предотвратить образование горячих точек и держать двигатель в непрерывном стабильном состоянии оптимальной производительности.

Этот переход от реактивного к проактивному тепловому управлению особенно важен для улучшения производительности, эффективности и срока службы. Поддерживая равномерную, стабильную температуру и минимизируя даже малые кратковременные нарушения такого стабильного состояния, системы теплового управления, основанные на связанном электротермическом моделировании, станут ключевыми для расширения границ качества двигателей электромобилей. Фактически, вместо того чтобы считать это косвенной заменой датчика температуры, лучше думать о датчиках температуры как о неоптимальной замене хорошего электротермического моделирования.

Эта статья написана Эндрю Кроссом, главным инновационным директором Helix (Милтон-Кинс, Великобритания). Для получения дополнительной информации посетите сайт.